（机械电子工程专业论文）基于现场总线的污水处理自动控制系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 现场总线技术具有数字化、全分散性、开放性和互操作性等特点，代表了今 后 一业控制网络发展的方向，是当前自动控制领域中倍受关注的技术之。本文 根据城市污水处理厂的实际案例，分析并设计了基于现场总线技术的城市污水处 理自动控制系统。 本文首先在理论上对现场总线控制系统进行了全面的探讨和阐述，介绍了现 场总线的概念、网络结构、通信模型以及五种典型的现场总线，并且尤为深入的 对p r o f i b u s 现场总线进行了阐述。然后根据污水处理厂实际应用的需要，从综合 自动化控制系统的完整性、可靠性、开放性及可扩充性几个方面，比较分析了o c s 、 现场总线、工业以太网等工业应用网络的连接方式，提出了基于p r o f i b u s 现场总 线网络的通信方案。并且依据城市污水处理工艺实例给出了污水处理过程自动控 制系统的总体设计方案和具体实施细节。 另外，城市污水处理过程工艺复杂，具有连续生产、参数检测困难、非线性、 间歇性、大滞后、干扰多等特点。本文针对污水处理过程中的污水曝气过程进行 了控制策略的研究，并且通过用m a t l a b 软件仿真，比较了传统p i d 控制法和模糊 控制法的运行结果。由于模糊控制策略控制效果较好，而且不需要控制对象的精 确数学模型，本文选用了简单易行的查控制表方法在p l c 上实现模糊控制策略。 在文章的最后，本文对现场总线技术在工业控制领域的应用前景作了展望。 关键词：现场总线、d c s 、p r o f i b u s 、工业以太网、p l c 、模糊控制、污水处理 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l db u st e c h n o l o g yi sad i g i t a l ，d i s t r i b u t e d ，o p e na n di n t e r o p e r a t i o n a lt e c h n o l o g y w h i c hr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m i ti so u eo t t h e t e c h n o l o g yw h a th a sa t c r a c t e dm o r ea t t e n t i o ni nt h ef i e l do fa u t o m a t i cc o n t r o l i nt h i s p a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ef a c t u a lc a s eo fc i t ys e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，w ea n a l y z e da n d d e s i g n e da na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rs w a g et r e a t m e n tw h a ti sb a s e do nf i e l db u s t e c h n o l o g y a tf i r s t ，i nt h i sp a p e r , w ed e t a i l e dd i s c u s s e dt h ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e mi nt h e o r y ， i n t r o d u c e dt h ec o n c e p to f f i e l db u s 、t h es t r u c t u r eo f n e t w o r k 、c o m m u n i c a t i o nm o d e la n d f i v er e p r e s e n t a t i v ef i e l db u s w ee m p h a s i z e do nt h ed e t a i lo fp r o f i b u sf i e l db u s a n d t h e n ，c o n s i d e rt h ea c t u a lc o n t r o lr e q u i r e m e n ti nas e w a g ew o r k ，t h i sp a p e rc o m p a r e sa n d a n a l y z e ss e v e r a li n d u s t r yn e t w o r kp a t t e r n ss u c ha sd c s 、f i e l db u s 、i n d u s t r i a le t h e r n e ti n ai n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e m si n t e g r a l i t y 、r e l i a b i l i t y 、e x t e n d i b i l i t ya n d o p e nc a p a b i l i t y , a n db r i n g sf o r w a r dac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks c h e m e ，w h i c hi sb a s e do np r o f i b u s f i e l db u s a c c o r d i n gt ot h ec i t ys w a g et r e a t m e n tp r o c e s s ，w ep u tf o r w a r dt h ei n t e g r a t e d p l a na n de x e c u t i o np a r t i c u l a rf o rt h es w a g et r e a t m e n ta u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m i na d d i t i o n ，t h e r ea r em a n yd i f f i c u l t i e si nt h ep r o c e s so fs w a g et r e a t m e n t ，s u c ha s c o n t i n u o u sw o r k i n g 、t h ev a r i a b l ei sh a r dt ob eo n l i n em e a s u r e d 、n o n - l i n e a r i t y 、 i n t e r m i t t e n c e 、d e l a ya n dm o r ed i s t u r b e r s i nt h i sp a p e rw er e s e a r c hi n t ot h ep r o c e s so f a e r a t i o nt a n kc o n t r 0 1 w ec o m p a r et h er e s u l t so fr e s p e c t i v e l ya p p l y i n gp i da n df u z z ) s t r a t e g yu s i n go fm a t l a be m u l a t i o nt o o l b o x t h ef u z z ys t r a t e g yg e t sag o o dr e s u l t ， a n di tn e e d n tac o r r e c tm a t hm o d e l ，s oi ti sc h o s ea n di m p l e m e n t e di np l ct h r o u g ha t a b l el o o k u pp r o g r a m 如e i d l a s t l y , t h i sp a p e rp r o s p e c t e dt h ef o r e g r o u n do ff i e l db u si nt h ei n d u s t r yc o n t r o l k e ) 1 v o r d ：f i e l db u s 、d c s 、p r o f i b u s 、i n d u s t r i a le t h e r n e t 、p l c 、 f u z z yc o n t r o l 、 w a s t e w a t e rt r e a t m e n t i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位办 俣e i 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 逊 j 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学f 妻论文作者签名： i j 0 司 1 夕驴拜占月2 日 杰，j 利 指导教师签名：p l 沙铲耀 “r 年f 月z ，f 1 0 i 人郊重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立边 f i 研究工作所取得的成果。除文巾已注明引用的内容外，本论文不包 含仟何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完伞 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： ， 司乌剥 日期：2 卯r 年月2 一f 1 = 】 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 11污水处理现状及发展趋势 水是人类赖以生存的最基本的物质基础，是一切生物的主体，它在调节全球 气候、运输物质等方面起着重要的作用。然而随着人口和经济活动的加剧，用水 量日益增加，其结果造成污水量也相应地增多。未经妥善处理的污水一旦排入水 体就会导致水体污染，而水体污染是破坏水资源、造成水资源危机的重要原因之 一。为了保护水资源，改善水环境质量，必须对水体污染加以妥善控制与治理。 污水处理的任务是采用各种技术措施将水中所含有的各种形态的污染物分离出来 或将其分解、转化为无害和稳定的物质，使废水得到净化。 1 11 我国水资源概况 我国总的水资源约有2 8 万亿立方米，居世界第六位，但是由于人口众多，淡 水资源量人均约2 3 0 0 立方米，相当于世界人均水平的1 4 ，居世界第“o 位。所 以实际上我国的水资源并不丰富，而且成为是世界最缺水的国家之一。同时，我 国的水资源空间分布很不均匀。6 8 8 个城市中有3 0 0 多个城市面临水资源短缺，有 1 0 0 个面临严重的水资源匮乏。长江流域以北的淮河、黄河、海滦河、辽河、黑龙 江五大流域水资源量合计仅占全国总量的1 4 4 ，而人口却占全国总量的4 3 5 ， 所以这五个流域的人均水资源占有量仅略高于9 0 0 立方米。北方不少城市缺水现 象己经非常严重，其中北京人均水资源占有量只有全国占有量的1 6 1 ”。而南方的 长江流域和珠江流域水量丰富，约有9 0 的地面径流量和7 0 以上的地下渗流量 分布在不到全国面积5 0 的面积。另外，在时间分布上，我国水资源也存在不均 衡，总的来说是冬春季少雨，夏季多雨。有时还连续出现桔水年和丰水年的现象， 给水资源的合理利用增加了困难| 3 j 。 在我国经济快速增长，工业化和城市化的同时，由于基础设施投资不足，加 之管理不善，江河湖库及近海海域普遍受到不同程度的污染，尽管部分流域或地 区的污染得到控制有所好转，但总体上仍呈加重趋势。七大水系中，不适合做饮 用水源的河段己经接近4 0 ，其中，大辽河水系属于严重污染，海河水系、淮河 于流、黄河干流属于重度污染，松花江水系为中度污染，仅仅长江干流和珠江水 系水质基本良好。在所调查的城市河段中7 8 不适合做饮用水源，在统计的城市 河段中，有8 7 左右的河段受到不同程度的污染。其中有1 6 的城市河段属于严 重污染，1 l 的城市河段属于重度污染，1 5 的城市河段属于中度污染，只有3 3 江苏大学硕士学位论文 的城市河段属于轻度污染，2 3 v o 的城市河段水质较好【4 j 。 而在美国，政府及水行政部门相当重视水源保护工作。美国各地的水利行政部 制定 r 一系列的法律法规来保护水源及防止水污染。同时，他们也十分重视水 源及其输水系统的管理，输水渠道沿线用铁丝网封闭，并设有报警装置以防人为 污染并减少周围环境的影响。所以，相比之下水资源对我国来说尤为宝贵，我们 必须特别注意加以保护。 1 12 城市污水处理情况 以城市污水处理厂实际处理的生活污水量与生活污水排放总量之比，作为城 市生活污水集中处理率来进行评价。据估计，1 9 9 9 年全国近8 5 的污水未经处理 直排江河湖海，年排污量达4 0 0 亿立方米，造成全国1 3 以上的水域受到污染。 废水中含有大量的固体污染物、需氧污染物、有毒污染物、生物污染物等，废水 任意排放，污染水体水质，有害人民身体健康，危害农业和工业生产。全国估计 每年因水污染造成的经济损失约4 0 0 亿元。在全国6 8 8 个城市中，仅有2 0 0 余座 在建和建成的污水处理厂，且集中在七八十个大中城市里，目前全国污水处理率 仅有2 0 左右。1 9 9 8 年我国城市生活污水集中处理率仅为1 0 3 ，其中，北京生 活污水集中处理率最高，为4 0 3 ：天津、云南次之，分别为3 7 2 年t l3 43 。 从统计结果看，西部城市生活污水集中处理率高于全国平均水平，这与云南生活 污水集中处理率较高以及西部城市生活污水排放量较低有很大关系。按建设帮舰 划要求，我国在2 0 1 0 年处理率应达到4 0 左右【5 。由此可见，我国的水资源保护 和水污染治理情况都不理想，城市污水处理尚处在起步阶段，城市污水处理率还 很低。 1 13 污水处理的发展趋势 中国水环境污染和水资源短缺，促进了污水处理项目的建设与发展。城市污 水处理系统的社会效益巨大，但运行成本高且经济效益差。现代污水处理厂采用 计算机控制日益普遍。应用计算机控制技术可以实现污水处理工艺的半自动、全 自动监控，提高污水处理厂的技术管理水平，合理使用和配置处理设施，具有非 常现实的意义。采用计算机技术，跟踪经常变化的水处理情况，检测不同时间的 水质指标数据，在计算机上显示出来，对这些数据做累计、求平均、求极值等运 算，并可以永久记录下来，以备在需要的时候查阅。对数据分析趋势走向，随时 调整各设备及工艺过程参数，使其达到优化状态，经济运行，节约能耗。采用计 算机代替人工操作，减少事故，保证安全，降低劳动强度，节约人力，甚至可以 完成许多人工难以完成的任务，提高生产的可靠性。计算机控制技术的费用不高 江苏大学硕士学位论丈 于一般的仪表控制，所需保养工作也比一般仪表少。 欧美国家一些城市污水处理厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制， 甚至实现全自动化无人值守控制模式。如美国爱阿华水厂，在七十年代初开始研 究微机自动控制水厂投加药剂，1 9 7 5 年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运 转一年就降低矾消耗2 0 ，并且提高了管理水平和稳定了水质。此外，苏联莫斯 科水r 一、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制水厂工艺取得较理想 效果| lj 。现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂 区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实行多环路控制，其中包括 沉淀、过滤及反冲洗、臭氧处理、化学药剂投放、泵房等。设在中心控制室内的 计算机主机从各个现场计算机中收集数据，劳提供图表显示、曲线、各个设备动 作记录、设备故障报警等。在电子自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过 程都可切换成手动控制。【7 】 国内污水处理厂虽还较落后，基本仍是手工操作，但有些城市污水处理厂引 进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。所以计算机控制系统的应用是我 国污水处理行业发展的必然趋势。 1 2 实现污水处理自动控制的技术背景 在工业生产自动化、信息管理网络化日益成为当今工业企业提高自身生产力 的必备要素之时，现场总线技术也开始进入了工业测控技术应用的大舞台。现场 总线技术的出现不是偶然的，是经历了一个从模拟信号到数字信号，从集中控制 到分散控制，从集散控制系统( d c s ) 到现场总线控制系统( f c s ) 的过程。 从7 0 年代开始，传送模拟信号的传统电动仪表逐渐暴露出其自身的缺点。这 是由于模拟信号变化缓慢，抗干扰能力差，提高自身的计算速度与精度的开销、 难度都较大。所以，人们开始用数字信号取代模拟信号，用一台计算机取代控制 室的几乎所有仪表，出现了集中式数字控制系统。但当时计算机可靠性差，计算 机的一个故障会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重后果，这种集中系统结 构很难为生产过程接受。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程 逻辑控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系 统，这就是d c s 系统。在d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是 一种模拟数字混合系统。它在功能、性能上可实现装鼍级、车间级的优化控制。 但是，d c s 并不是完全意义上的分散控制系统，i o 和控制站都集中在中央控制室， 现场仪表通过对一的4 2 0 m a 电流信号与上位机传递信息。而且在d c s 系统 江苏大学硕士学位论文 于一般的仪表控制，所需保养工作也比一般仪表少。 欧美国家些城市污水处理厂已绎用计算机进行数据记录和运行过程控制， 甚至实现全自动化无人值守控制模式。如美国爱阿华水厂，在七十年代初卅始研 究微机自动控制水厂投加药剂，1 9 7 5 年应用直接数宁式计算机控制自动加矾，运 转一年就降低矾消耗2 0 ，并且提高了管理水平和稳定了水质。此外，苏联莫斯 科水r 一、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制水厂工艺，取得较理想 效果1 1 。现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂 区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实行多环路控制，其中包括 沉淀、过滤及反冲洗、臭氧处理、化学药剂投放、泵房等。设在中心控制室内的 训算机主机从各个现场计算机中收集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动 作记录、设备故障报警等。在电子自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过 程都可切换成手动控制。【j 1 国内污水处理厂虽还较落后，基本仍是手工操作，但有些城市污水处理厂引 进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。所以计算机控制系统的应用是我 国污水处理行业发展的必然趋势。 12 实现污水处理自动控制的技术背景 在工业生产自动化、信息管理网络化日益成为当今工业企业提高自身生产力 的必备要素之对，现场总线技术也开始进入了工业测控技术应用的大舞台。现场 总线技术的出现不是偶然的，是经历了一个从模拟信号到数字信号，从集中控制 到分散控制，从集散控制系统( d c s ) 到现场总线控制系统( f c s ) 的过程。 从7 0 年代开始，传送模拟信号的传统电动仪表逐渐暴露出其自身的缺点。这 是由于模拟信号变化缓慢，抗干扰能力差，提高自身的计算速度与精度的开销、 难度都较大。所以，人们开始用数字信号取代模拟信号，用一台计算机取代控制 室的几乎所有仪表，出现了集中式数字控制系统。但当时计算机可靠性差，计算 机的一个故障会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重后果，这种集中系统结 构很难为生产过程接受。 随着计算机可靠性的提商，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程 逻辑控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系 统，这就是d c s 系统。在d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是 一种模拟数字混合系统。它在功能、性能上实现装置级、车间级的优化控制。 但是，d c s 并不是完全意义上的分散控制系统，i o 和控制站都集中在中央控制室， 现场仪表通过对的4 2 0 m a 屯流信号与上位机传递信息。而且在d c s 系统 现场仪表通过一对一的4 2 0 m a 电流信号与上住机传递信息。而且在d c s 系统 江苏大学硕士学位论文 形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷影响，各f 家产 品自成系统，不同厂家设备不能互连，难以实现互换与互操作，组成更大范围信 魍共享的网络系统存在很多困难。 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机和计算机 网络系统得到迅速发展。自封闭式的集散系统已使自动化系统成为“信息孤岛”。 要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工q k 现 场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现 场自动化设各之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界 的信息交换。现场总线控制系统就是在这种实际需求的驱动下应运而生。 作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连 通信网络。现场总线沟通了生产过程现场控制设备之间以及其与更高控制管理层 网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。在这个新型系 统中，测控任务被分散到现场设备中，所有设备都采用数字信号通过标准协议进 亍信息交换；总线上每一个现场设备都易于监控，设备扩充方便，系统的安装、 调试、维护、升级操作简便，即使当某些现场设备离控制室过远时，也只需很少 的中继器即可将其与系统相连接：系统对外开放，不同厂家的产品可完全集成在 一个应用环境中；系统可以与以太网连接甚至可接入国际互连网络，使信息得到 充分利用和传播。 从现场总线的应用前景来讲，由于现今的工业企业处在一个市场竞争异常激 烈的年代，为了提高自身生产力、提高生产效率，生产工艺甚至部分生产线都会 随着市场的需求而经常进行改进，这样更换、增加测量点会越来越频繁。而现场 总线技术在这方面的独特优势显现无遗。同时，由于现场总线系统模块化强，各 个设备设置方便，即使是对全部生产线的改进也事半功倍。 现今的工业企业又处在一个网络化、信息化的时代，传统的大量企业管理、 运营工作已被企业信息管理系统所替代，为了充分利用企业生产、销售等各部门 的信息流，同时大量节省人力物力，也使得整个企业运营数字化、资源合理配置， 节约大量成本。现场总线系统由于其开放性、架构模块化的特点，成为企业信息 管理系统中不可或缺的一部分。【6 1 【”j 1 3 本课题研究的内容及意义 现场总线技术具有数字化、全分散性、开放性和互操作性等特点，代表了今 后工业控制网络发展的方向，是当前自动控制领域中倍受关注的技术之一。本文 根据城市污水处理厂的实际案例，分析并设计了基于现场总线技术的城市污水处 江苏大学硕士学位论文 理自动控制系统。 首先本文在理论上对现场总线技术进行了全面的探讨和阐述，介绍了i 见场总 线的概念、网络结构、通信模型以及五种典型的现场总线，并且尤为深入的对 p r o f i b u s 现场总线进行了阐述。然后根据污水处理厂实际应用的需要，从综合日 动化控制系统的完整性、可靠性、开放性及可扩充性几个方面，比较分析了d c s 、 现场总线、4 - , k 以太网等工业应用网络的连接方式，提出了基于p r o f l b u s 现场总 线网络的通信方案。并且依据城市污水处理工艺实例给出了污水处理过程自动控 制系统的总体设计方案和具体实施细节。 另外，城市污水处理过程工艺复杂，具有连续生产、参数检测困难、非线性、 间歇性、大滞后、干扰多等特点。本文针对污水处理过程中的污水曝气过程进干， 了控制策略的研究，并且通过用m a t l a b 软件仿真，比较了传统p i d 控制法和模糊 控制法的运行结果。由于模糊控制策略控制效果较好，而且不需要控制对象的精 确数学模型，本文选用了简单易行的查控制表方法在p l c 上实现模糊控制策略。 在文章的最后，本文对现场总线技术在工业控制领域的应用前景作了展望。 本论文的工程性比较强，它的中心任务是针对当今自控新技术现场总线控 制系统进行研究，而且通过与城市污水处理工程项目的结合，将理论和实践紧密 联系在了一起，从而设计出一套行之有效的工程应用方案。从经济角度上讲，将 先进的现场总线控制系统应用于城市污水处理厂自动化系统的建设，既可以节省 项目投资，又可以提高污水处理厂自动化系统的技术水平，并且可以使其实现更 加高效可靠的运行。本论文的研究可为国内污水处理自动化项目的建设提供良好 的借鉴。 1 4 本章小结 本章首先介绍了我国城市污水处理的现状，并且通过对国内外污水处理情况 的比较，展望了未来我国污水处理的发展趋势，得出实现污水处理自动控制势在 必行的结论。随后分析了实现污水处理自动化控制的技术背景，介绍了本课题研 究的内容及意义。 江苏大学硕士学位论文 第二章现场总线技术综述 2 1 现场总线技术 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串彳亍多节 点数字通信的系统，也被称为开放式、数字式、多点通信的底层控制网络口】。现场 总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。 它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展 ，：生重要影响。l 4 9 1 5 1 】 2 11 现场总线的概述 现场总线( f i e l db u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过 程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作 为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控 制管理层次之问的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全 分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信为主要内容的综合技 术已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统 结构与设备的深刻变革。就现场总线一词的含义而言，现场是指工作环境处于过 程设备底层一端，而总线则意味着须遵循同一技术规范的连线系统，意味着这些 遵守同一规范的各设备间可实现互连与互操作。作为工厂设备级基础通信网络， 要求具有协议简单，容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时问确 定性和较高的实时性要求；还具有网络负载稳定、多为短帧传送、信息交换频繁 等特点，因而，现场总线系统从网络结构到通信技术，都具有不同于上层高速数 据通信网的特色。 现场总线控制系统统f c s 作为新一代控制系统，一方而，突破了d c s 系统采 用通信专用网络的局限，采用了基于公开化标准化的解决方案，克服了封闭系统 所造成的缺陷，另一方而把d c s 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新 型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字 通讯是现场总线系统最显著的特征。 1 现场总线的特点婵j ( 】) 系统的开放性：开放系统是指通信协议公开，各不同厂家设备之间可进 行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络 的歼放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识 江苏大学硕士学位论文 j 遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。 个具有总线功能的现场总线网络，系统必须是开放的；开放系统把系统集成的权 利交给了用户。用户可按自己的需要和考虑，把来自不问供应商的产品组成大小 随意的系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性：这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统 间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味 着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性：由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能， 导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现 有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场 总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、 红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并 可满足本质安全防爆要求等。 2 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直 接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独 的调节器、计算单元等，也不再需要d c $ 系统的信号调理、转换、隔离等功能单 元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资， 并可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆 上通常可挂接多个设各，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设 计与接头校对的工作量也可大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新 的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的丁 作量。据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销：出于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运 行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间， 7 江苏大学硕士学位论文 刷时山于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供的 发备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择 范用，4 i 会为系统集成中不兼容的协议、接 而一筹莫展。使系统集成过程的卜 动权牢牢掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化， 与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同 时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信 号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构 等优点。 2 1 2 现场总线的网络结构 现场总线是集控制、计算机、通讯3 c 技术的结果。计算机与通讯的结合，产 牛了计算机网络。计算机网络与控制设备的结合孕育了现场总线控制系统。网络 技术是现场总线控制系统的重要基础，网络化是自动化系统结构发展的方向。 1 现场总线的网络拓扑结构 现场总线的网络拓扑结构有：环型、总线型、树型以及几种类型的混合。 环型拓扑结构中以令牌环形网最为典型，其优点是延时性较好，缺点是成本 较高。 总线网的优点是站点接入方便，可扩充性较好，成本较低，在轻负载的网络 基本上没有时延，但在站点多、通讯任务重时，延时明显加大。缺点是时延的不 确定性，对某些实时应用不利。 树型网是总线网的一种变型，其优点是可扩充性好，有较宽的频带，缺点是 站点间通讯不方便。总线网的争用使它不适于实时处理某些突发事件，令牌环形 翻中的令牌绕环一周的时间虽然有一个上限，但在轻负载时性能不太好，可靠性 比总线网差些，综合这两种网的优点，在现场总线中采用了令牌总线网，即在物 理上是一个总线网，在逻辑上是一个令牌网。令牌总线网具有总线网接入方便、 可靠性较好的优点，也具有令牌环形网“无冲突”和时延性好的优点。 2 现场总线的数据操作方式1 9 l 从现场总线的数据存取、传送、操作方法来分有四种工作模式：对等( p e e rt o p e e r ) 、主从( c l i e n t s e r v e rc s ) 及网络计算结构( n e t w o r kc o m p u t i n g a r c h i t e c t u r en c a ) 。对等和主从工作模式发展较早，也获得广泛应用。在8 0 年 江苏大学硕士学位论文 代发展c s 方式，9 0 年代出现了n c a 方式。 在c 1 l e n t s e r v e r ：i = 作模式中，由c l i e n t 发出一个请求，按请求进程的要求， 做出响应、执行服务。c s 工作模式的优点： ( 1 ) c 1 i e n t s e r v e r 可处在同一个网络节点中，一个s e r v e r 可以同时又是另 一个s e r v e r 的c 1 i e n t ，并向它请求服务； ( 2 ) c l i e n t s e r v e r 模式将处理功能分为两部分，一部分由c li e n t 处理，另 一部分由s e r v e r 处理，c l i e n t 承担应用方而的专门任务，s e r v e r 主要用于数掘 处理，c s 模式提供一个较理想的分布环境，消除了不必要的网络传输负担，这样 有利于全面发挥各自的计算能力，提高工作效率。 n c a 是基于网络计算机环境的一种体系结构，即网络计算结构。 n c a 的核心是有效的，可集成多种相互竞争的世界标准所形成的应用，如站点 可采用任意编程语言而不必担心集成问题：n c a 引入构件概念，插入一个构件，就 可扩展一种功能，n c a 中有类似硬件总线的软件总线，把构件插接在应用系统中， 就可完成应用功能的集成；n c a 全面引入面向对象技术，可以把已有的、不同部分 独立开发的，遵循不同标准的对象组装在一起，从而实现整体应用。 3 网络扩展与网络互连 网络互连既是扩展现场总线地域、规模、功能的需要，也是不同结构、不同 操作系统结构网互连的需要。网络扩展与网络互连需要一个中间设备( 或中间系 统) ，i s o 的术语称为中继( r e l a y ) 系统。根据中继系统所在的不同网络层次有4 种中继系统。 物理层中继系统，即中继器( r e p e a t e r ) ；数据链路层中继系统，即网桥或桥 接器( b r f d g e ) ；网络层中继系统，即路由器( r o u t e r ) ；网络层以上中继系统， 郎网关( g a t e w a y ) 。 高层的中继系统比低层中继系统复杂，网关连接两个不同的异构网，不但要 连接网络间数据传送的通道，而且还需要进行协议的转换，是最复杂的一种中继 设备。 ( 1 ) 网络扩展物理层的中继系统中继器和数据链路层的网桥常用于网络扩 展。中继嚣一般仅作为物理信号放大，而网桥可使用不同的物理层，可连不同类 型的网段，使网段问故障不会互相影响，还可减少网段间通信量，减轻了网络的 负荷。中继器和网桥在现场总线中获得广泛的应用。 ( 2 ) 网络互连实现异构网络互连是在更高层次实现的开放系统。网络互连 要解决物理互连和逻辑互连( 互连软件) 两个问题。网关和路由器是网络互连的 重要部件，它起着网间数据传送的通路和终止每个网络内部协议的作用。同时还 q 江苏大学硕士学位论文 必需完成：不同的通信协议间必需进行协议转换，必须有一个被互连双方所识别 的统的寻址方式，必需具有一致的信息帧长度等。网络子网要高度自治，以减 一网络信息交换量，同时可简化网关结构和降低互连协议的复杂性。 2 1 3 现场总线的通信模型 随着计算机应用f i 益普及，越来越多的用户要求把多个厂家的计算机系统联 网运行。为解决异种计算机互连运行的难题，人们迫切要求建立一系列的国际标 准。1 9 7 8 年，i s 0 建力了一个新的“开放系统互连”分技术委员会，起草了“开 放系统互连基本参考模型”，1 9 8 3 年成为i s 07 4 9 8 正式国际标准，到1 9 8 6 年又 对该标准进行了补充完善。形成了为异种计算机互连所提供的一个共同的标准规 范。这就是1 8 0 0 s i 国际标准组织的开放系统互连模型。网络协议是为了保证现 场总线中各站点通过网络互相通讯的一套规则和约定。网络协议具有层次结构， 其优点是：各层次独立；灵活；易于实现和维护；易于标准化。 开放系统互连模型是现场总线技术的基础，0 s i 及其与几种现场总线开放互连 参考模型如图2 1 所示。0 s i 按通信功能分为7 个层次，从连接物理媒介的底层开 始，分别赋予l 7 的顺序编号，其l 3 层完成通信传送功能，4 7 层完成通讯 处理功能。 i s 0 0 s i 模型 应用层 |用户层 l稚 罅莲 通信栈 熊 一 物理层物理层 p r o f i b u sp r o f i b u s 用户接口废用屠接口 艨 患去第3隐去第3 至筇t 异至第6 层 摇 数据链略鼹 物理层物理层 h a r t 模型 h r t 指令 h r t 通信规则 b e l l 2 0 2 图2 - 10 s i 及其与几种现场总线开放互连模型的对应关系 物理层为用户提供建立、保持和断开物理连接的功能，即提供同步和双向传 输流在物理媒体上的传输手段。但它并不包括物理媒体本身。数据链路层用于保 证信息的可靠传递，对互连开放系统的通路实行差错控制、数据成帧、同步控制 等。网络层规定了网络连接的建立、维护与拆除协议，利用链路传输功能，以及 端口选择和串连功能，实现两个网络系统之间的连接。传输层可完成开放互连系 统端点之间的数据传送控制，数据接收确认以及传输差错恢复。会话层的功能是 按正确的顺序收发数据，进行各种对话。表达层用于应用层信息内容的形式变换， 1 0 江苏大学硕士学位论文 把应用层提供的信息变为能够共同理解的形式。应用层作为o s i 模型的最高层 用于用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。 现场总线网络互连模型既参照i s o o s i 模型，又具有自己的特点。 协议是分层的，但层次之间的调用关系不一定象o s i 那样严格，层次也叫简 化，以提高协议的工作效率；既要遵循o s i 模型体系结构原则，又要考虑f c s 的 特点，满足f c s 的特殊要求；在现场总线参数模型中，既遵循开放系统集成的原 则，又充分体现f c s 的特点和特殊要求。 现场总线通信模型所采用的分层结构如图2 2 所示。通过图示模型完成现场 总线控制系统的通信、控制和管理功能。其中物理层、数据链路层采用i e c i s a 标准。 图2 - 2 现场总线通信模型分层结构 接口子层与应用层的任务是完成应用程序到应用进程的描述，实现应用进程 之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。 应用层有两个子层：现场总线访问子层f a s 和现场总线报文规范子层f m s 。 l 、a s 的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范。根据不同要求，采用不同的数 据访问工作模式。现场总线报文规范子层f m s 的基本功能是面向应用服务，根据 进程目标a p o ，生成规范的应用协议数据单元a p d u 。 在应用层中有两个问题值得研究：( 1 ) 在复杂的f c s 中，现场总线访问子层 中网络计算结构n c a 是一种颇有应用前景的数据访问工作模式；( 2 ) 在应用层与 数据链路层之间有必要增加一个网络互连子层，以满足网络互连的要求。 图2 2 中已标明，用户层规定标准的功能模块( f b ) 、对象字典( o d ) 和设备 描述( d d ) 供用户组成系统。在网络管理中，为了提供个集成网络各层通信协 议的机制，实现设备操作状态的监控与管理，设置一个网络管理代理( n m a ) 和 个网络管理信息库，提供组态管理、性能管理和差错管理的功能。 在系统管理中，设置系统管理内核、系统管理内核协议和系统管理信息库， 江苏大学硕士学位论文 头现设备管理、功能管理、时钟管理和安全管理等功能。 现在的网络管理和系统管理的功能还有限，现场总线期待有更强功能的刚络 管理、系统管理软件和更多的网络管理、系统管理工具。 2 1 4 五种典型的现场总线 1 f f ( f o u n d a t i o nf i e l db u s ) ：基金会现场总线，是目前在过程自动化领域 得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。f f 目前拥有1 2 0 多个成员，这包括世界 j ：最主要的自动化设备供应商：a b 、a b b 、f o x b o r o 、h o n e y w e l l 、s m a r 、f u j ie f e cl 【i c 等。f f 的通信模型以i s o o s i 开放系统模型为基础，采用了物理层、数据链路层、 应用层，并在其上增加了用户层，各厂家的产品在用户层的基础上实现。用户层主 要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规 定了通用的功能块集。f f 总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周 期通信。f f 目前有高速h 2 和低速h l 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ， 传输距离可达1 9 0 0 m ，可采用中继器延长传输距离，并可支持总线供电，支持本质 安全防爆环境；h 2 的传输速率分为i m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。f f 可采用总线型、树型、菊花链等网络拓扑结构，网络中的设备数量取 决于总线带宽、通信段数、供电能力和通信介质的规格等因素。f f 支持双绞线、同 轴电缆、光缆和无线发射等传输介质，物理传输协议符合i e c l l 5 8 2 标准，编码采 用曼彻斯特编码。f f 总线拥有非常出色的互操作性，这在于f f 采用了功能模块和 发各描述语言d d l ，使得现场节点之间能准确、可靠地实现信息互通。目前f f 有2 9 个功能块，其中包括1 0 个基本功能块和1 9 个先进功能块。用户还可以开发自己的 功能块，这些功能块之间通过标准的d d l 实现互操作。f f 的开发工具为a t2 4 0 0d d t o k e n i z e rk i t 和a t2 4 0 1d ds e r v i c e sk i t 。 1 0 j 2 p r o f i b